Por Endika Vásquez

14 de abril de 2021

Industria

Zirconio como aditivo en materiales compuestos de alta resistencia

Los compuestos de matriz cerámica (CMC) son materiales de asombrosa fuerza utilizados en turbinas de gas, jets y herramientas de corte. El óxido de aluminio (Al2O3) es duro y químicamente inerte, y el carburo de tungsteno (WC) es utilizado como un material superduro, pero anteriores intentos de fusionar ambos materiales (Al2O3-WC) mostraron resultados poco satisfactiorios. Un estudio japonés publicado en "Scientific Reports", mostraba que la adición de átomos de zirconio mejoraba los CMC de la mezcla.

Debido al potencial del Al2O3-WC como material superduro, investigadores de todo el mundo han realizado diversas pruebas de formulación con el objetivo de identificar un CMC con gran resistencia a la flexión. Esta es la medida utilizada para valorar el estrés físico al que se puede someter un material antes de su deformación permanente o rotura. Anteriormente, ningún grupo habia logrado un CMC de Al2O3-WC con resistencia superior a 1 gigapascal, lo cual hacía al CMC inferior a sus iguales.
En un intento de superar la marca de 1 gigapascal, Japón llevó a cabo un estudio, liderado por el grupo de la Universidad de Nagoya antes citado, en colaboración con NGK Spark Plug Co., Ltd. En dico estudio, los científicos experimentaron con la adición de pequeñas cantidades de dióxido de zirconio (ZrO2) durante la sintetización de CMCs de Al2O3-WC. Esto resultó en una resistencia material superior a 2 gigapascales, "un nuevo récord en el campo" señalaron el Dr. Tomohiro Nishi y el Dr. Katsuyuki Matsunaga, líderes del proyecto.

Notablemente, la adición de ZrO2 necesaria para estos resultados representaba menos del 5% de masa del compuesto de Al2O3-WC completo, lo cual es menor cantidad de aditivo a la normalmente utilizada por otros CMC. Cuando el equipo analizó la estrucura del material, mediante el método denominado como microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica, encontraron que los atomos de zirconio se encontraban en delgadas capas entre las láminas de Al2O3 y WC. Los líderes declaran que "Esta clase de interfaces son generalmente puntos débiles en lo que a propiedades mecánicas se refiere." Por tanto, la localización del zirconio es plausiblemente para mejorar los enlaces atómicos entre los dos compuestos superduros, mejorando su estabilidad.

Los investigadores preveen un futuro prometedor para las aplicaciones del descubrimiento, comentando que "Los materiales que hemos desarrollado pueden ser aplicados en dispositivos y maquinaria de trabajo de corte de metales para ser utilizados en areonáutica y automoción." De hecho, comentan que ingenieros de NGK Spark Plug Co. han comenzado a comercializar el material como componente en herramientas de corte.

La creación del CMC también sirve de ejemplo de cómo se puede lograr una considerable mejora en propiedades físicas con adiciones relativamente menores de otro material.
El estudio, llamado "Advanced superhard composite materials with extremely improved mechanical strength by interfacial segregation of dilute dopants" fue publicado el día 3 de diciembre de 2020 en "Scientific Reports".


Fuentes: Phys.org, Scientific Reports